基于Zynq的OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　OLED具備自發(fā)光、不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。目前OLED的驅(qū)動(dòng)大部分都是基于STM系列 ARM芯片和傳統(tǒng)FPGA芯片。為適應(yīng)Xilinx最新平臺(tái)Zynq的人機(jī)交互需要，提出一種基于Zynq的OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。文章闡述了OLED的特性和SPI控制方式，給出了設(shè)計(jì)流程和硬件電路圖。利用Zynq的PL部分完成了OLED驅(qū)動(dòng)的IP核，利用Zynq的PS部分實(shí)現(xiàn)了OLED的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。通過AXI總線實(shí)現(xiàn)PL和PS的通信。最后通過測試程序，實(shí)現(xiàn)了字母、數(shù)字和點(diǎn)陣圖像的實(shí)時(shí)顯示。解決了基于Zynq器件在廣電儀器和電力儀表儀器中人機(jī)交互的工程技術(shù)，具有集成度高、可移植性強(qiáng)和通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 引言

　　隨著近幾年嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人機(jī)交互成為嵌入式設(shè)備的迫切需要。為適應(yīng)Xilinx最新平臺(tái)Zynq的人機(jī)交互需要，提出一種基于Zynq的OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

　　有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)由于同時(shí)具備自發(fā)光、不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。

　　Xilinx最新平臺(tái)Zynq將處理器的軟件可編程能力與FPGA的硬件可編程能力實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，以低功耗和低成本等系統(tǒng)優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)性能、靈活性和可擴(kuò)展性。

　　目前OLED的驅(qū)動(dòng)大部分都是基于STM系列ARM芯片和傳統(tǒng)FPGA芯片。在Zynq上，Xilinx提供了Linux演示實(shí)例，但無裸機(jī)源碼，無法滿足實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的工程實(shí)際需求。

　　文章詳細(xì)闡述了基于Zynq的OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)步驟和方法，并且在基于Zynq的開發(fā)板ZedBoard上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示字母、數(shù)字和點(diǎn)陣圖像，為Zynq在儀器儀表領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互提供了技術(shù)支撐。

　　2 OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程

　　Zynq是一個(gè)ARMPS+PL結(jié)構(gòu)，其中PL部分就是傳統(tǒng)意義的FPGA,可以方便地定制相關(guān)外設(shè)IP,也可以進(jìn)行相關(guān)的算法設(shè)計(jì)，和使用普通FPGA完全一樣。如果不使用PL,Zynq的PS部分和普通的ARM開發(fā)一樣。Zynq最大的特點(diǎn)是可以利用PL部分靈活地定制外設(shè)，掛在PS上，而普通的ARM,外設(shè)是固定的。因此，Zynq的硬件外設(shè)是不固定的，這也是Zynq靈活性的一個(gè)表現(xiàn)。OLED在Zynq上是連接在PL上，因此需要把OLED對(duì)應(yīng)引腳掛在PS的硬件上，然后設(shè)計(jì)OLED IP核，再通過SDK設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　ZedBozrd控制OLED的主要方法是：自行設(shè)計(jì)一個(gè)IP核，對(duì)OLED的6個(gè)控制信號(hào)和電源信號(hào)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和引腳約束，通過AXI總線，把OLED的IP核和PS聯(lián)系起來。在PS部分編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)OLED的控制，如圖2所示。

　　圖1 OLED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程

　　圖2 OLED系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

　　因此，要實(shí)現(xiàn)OLED顯示功 能，主要做以下幾個(gè)方面工作：設(shè)計(jì)Zynq硬件系統(tǒng)(PS部分)、設(shè)計(jì)自己的IP核和PS部分驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

　　3 建立Zynq硬件系統(tǒng)和OLED IP核

　　Zynq的開發(fā)板ZedBoard上使用Inteltronic/Wisechip公司的OLED顯示模組UG-2832HSWEG04,分辨率為128×32,是一款單色被動(dòng)式顯示屏，驅(qū)動(dòng)電路采用所羅門科技的SSD1306芯片。具體電路如圖3所示。根據(jù)原理圖可知，ZedBoard開發(fā)板使用的OLED采用SPI方式控制，SPI模式使用的信號(hào)線和電源線有如下幾條：

　　RST(RES)：硬復(fù)位OLED;

　　DC:命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志(0,讀寫命令;1,讀寫數(shù)據(jù));

　　SCLK:串行時(shí)鐘線;

　　SDIN:串行數(shù)據(jù)線;

　　VDD:邏輯電路電源;

　　VBAT:DC/DC轉(zhuǎn)換電路電源。

　　在SPI模式下，每個(gè)數(shù)據(jù)長度均為8位，在SCLK的上升沿，數(shù)據(jù)從SDIN移入到SSD1306,并且是高位在前的。

　　圖3 OLED原理圖

　　Zynq的硬件系統(tǒng)是指在PL中配置相關(guān)外設(shè)，掛載到PS中，作為PS部分的外設(shè)使用。OLED驅(qū)動(dòng)主要用到6個(gè)IO口，在生成硬件系統(tǒng)時(shí)，只需要利用Xilinx的嵌入式工具XPS生成最小硬件系統(tǒng)，然后把OLED的相關(guān)引腳添加到最小硬件系統(tǒng)中。主要過程如下：

　　(1)根據(jù)芯片型號(hào)，根據(jù)XPS工具設(shè)計(jì)流程，生成Zynq的最小硬件系統(tǒng)。

　　(2)在最小硬件系統(tǒng)中，添加外設(shè)IPmy_oled，把OLED的SPI引腳添加到工程中。添加一個(gè)6位寄存器，每位和SPI引腳對(duì)應(yīng)。

　　(3)my_oledIP核邏輯設(shè)計(jì)主要完成IP核引腳添加、端口映射和用戶邏輯功能。首先要對(duì)設(shè)計(jì)的IP核添加引腳，在系統(tǒng)生成的MPD文件中，添加OLED的相關(guān)引腳端口和方向信息。

　　在MPD文件中，在PORT下添加OLED的相關(guān)引腳和方向信息，具體代碼如下：

　　PORTDC=“ ”,DIR=O

　　PORTRES=“ ”,DIR=O

　　PORTSCLK=“ ”,DIR=O

　　PORTSDIN=“ ”,DIR=O

　　PORTVBAT=“ ”,DIR=O

　　PORTVDD=“ ”,DIR=O

　　(4)在系統(tǒng)生成的my_oled.vhd文件中，用VHDL語言進(jìn)行端口設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行以下兩個(gè)設(shè)計(jì)。

　　聲明IP和用戶6個(gè)信號(hào)和電源的端口。代碼如下：

　　DC ∶outstd_logic;

　　RES ∶outstd_logic;

　　SCLK ∶outstd_logic;

　　SDIN ∶outstd_logic;

　　VBAT ∶outstd_logic;

　　VDD ∶outstd_logic;

　　將用戶端口和IP核端口進(jìn)行映射，代碼如下：

　　DC =>DC,

　　RES =>RES,

　　SCLK =>SCLK,

　　SDIN =>SDIN,

　　VBAT =>VBAT,

　　VDD =>VDD,[!--empirenews.page--]

　　(5)在系統(tǒng)生成的user_logic.v文件中，用Verilog語言進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寄存器和SPI對(duì)應(yīng)端口連接并實(shí)時(shí)讀取，主要代碼如下。其中slv_reg0為IP核寄存器，tmp為用戶定義臨時(shí)寄存器，tmp的每一位和IP端口一一對(duì)應(yīng)。實(shí)現(xiàn)把slv_reg0寄存器低6位實(shí)時(shí)傳給tmp寄存器，通過對(duì)寄存器slv_reg0的寫操作達(dá)到控制6個(gè)引腳的時(shí)序。

　　always@(posedgeBus2IP_Clk)

　　begin

　　tmp<=slv_reg0[5:0];

　　end

　　4 OLED驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　由于ZedBoard開發(fā)板上的OLED使用的是SPI協(xié)議，并且只支持寫，不支持讀，因此控制OLED就是在SCLK的時(shí)鐘下，通過SDIN進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸。OLED的控制需要經(jīng)過初始化、傳數(shù)據(jù)和命令以及對(duì)顯存設(shè)置等操作實(shí)現(xiàn)。

　　4.1 初始化

　　驅(qū)動(dòng)IC的初始化代碼，可以參考廠家推薦的設(shè)置，但需要根據(jù)開發(fā)板上OLED實(shí)際參數(shù)進(jìn)行一些修改。

　　根據(jù)SSD1306數(shù)據(jù)手冊(cè)的初始化說明，具體步驟如圖4所示。初始化的實(shí)現(xiàn)就是對(duì)SSD1306進(jìn)行寫命令。

　　圖4 SSD1306初始化步驟

　　4.2 寫數(shù)據(jù)和命令的實(shí)現(xiàn)

　　在SCLK時(shí)鐘下，根據(jù)要寫入的數(shù)據(jù)或者命令，設(shè)置SDIN引腳的電平，一位一位地把數(shù)據(jù)寫入SSD1306.SSD1306每次傳送的命令和數(shù)據(jù)均為一個(gè)字節(jié)，傳送數(shù)據(jù)和命令的區(qū)別是通過Set_OLED_DC宏，設(shè)置該函數(shù)為寫數(shù)據(jù)，通過Clr_OLED_DC宏，設(shè)置該函數(shù)為寫命令。實(shí)現(xiàn)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸代碼如下：

　　for(i=0;i<8;i++)

　　{

　　Clr_OLED_SCLK;

　　if(data&0x80)

　　Set_OLED_SDIN;

　　else

　　Clr_OLED_SDIN;

　　Set_OLED_SCLK;

　　data《=1;

　　}

　　4.3 顯存數(shù)據(jù)寫入SSD1306存儲(chǔ)器

　　我們采用的辦法是在PS的內(nèi)部建立一個(gè)OLED的GRAM(共128個(gè)字節(jié))，在每次修改的時(shí)候，只是修改PS上的GRAM(實(shí)際上就是SRAM)，在修改完之后，一次性把PS上的GRAM寫入到OLED的GRAM.具體代碼如下：

　　voidOLED_Refresh_Gram(void)

　　{

　　u8i,n;

　　for(i=0;i<4;i++)

　　{

　　write_cmd(0xb0+i);//設(shè)置頁地址

　　write_cmd(0x00);//設(shè)置顯示位置-列低地址，偏移了2列

　　write_cmd(0x10);//設(shè)置顯示位置-列高地址

　　for(n=0;n<128;n++)write_data(OLED_GRAM[n][i]);

　　}

　　}

　　4.4 顯示結(jié)果

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了OLED的字母、數(shù)字和點(diǎn)陣圖形實(shí)時(shí)顯示，如圖5所示。

　　圖5 OLED運(yùn)行結(jié)果

　　5 結(jié)論

　　系統(tǒng)采用可軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的Zynq器件，定制硬件IP核，采用傳統(tǒng)ARM程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)OLED驅(qū)動(dòng)程序和測試程序，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示。解決了基于Zynq器件在廣電儀器和電力儀表儀器中人機(jī)交互的工程技術(shù)，具有集成度高、可移植性強(qiáng)和通用性好等優(yōu)點(diǎn)。